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本文1856字，阅读约需5分钟

摘要：研究小组通过对非取向CNT薄膜照射偏振控制的超短脉冲激光，开发出一种局部形成特定方向整齐排列的CNT结构的新型光学后加工工艺技术，可在同一芯片上高密度集成不同取向的CNT，有望实现以局部取向CNT为像素的“太赫兹偏振图像传感器”以及下一代“高速低功耗逻辑器件”。

关键词：碳纳米管、取向、超短脉冲激光、局部控制、后工艺

要点

通过对非取向碳纳米管（CNT）薄膜照射偏振控制的超短脉冲激光，开发了一种局部形成特定方向排列的结构的技术。
以亚微米级的空间分辨率，实现了迄今为止最高水准的极高取向质量，有望助力下一代半导体器件的实现。
可在同一芯片上高密度集成不同取向的CNT，有望实现以局部取向CNT为像素的“太赫兹偏振图像传感器”以及下一代“高速低功耗逻辑器件”。

概要

碳纳米管（CNT）是一种具有优异电学和光学特性的下一代器件材料，但对其取向的精确控制对于器件应用至关重要。

研究小组通过对非取向CNT薄膜照射偏振控制的超短脉冲激光，开发出一种局部形成特定方向整齐排列的CNT结构的新型光学后加工工艺技术（光学后处理技术）。本技术通过使用在比热量传递到周围材料短得多的时间内照射光的“超短脉冲激光”，实现了反映CNT固有光学特性的非热结构加工（激光烧蚀），并成功地仅在激光照射位置精确调整CNT的取向方位。由此，有望应用于可一次性实时拍摄偏振图像的太赫兹偏振图像传感器，以及下一代高速低功耗逻辑器件的制造工艺。

研究背景

碳纳米管（CNT）兼具源自纳米尺度量子限域效应的优异电学、光学及机械特性，作为打破当前硅基微型化极限的下一代器件材料，CNT正在全球范围内得到广泛研究。由于CNT的材料特性强烈依赖于管的取向，因此精确控制CNT的排列方向（取向）对于其在晶体管和传感器等器件中的应用至关重要。此前人们已开发出利用机械、化学、电学方法的多种取向控制技术。然而，由于这些技术都是在CNT沉积到基板上的预处理阶段实施的，因此可控制取向的空间分辨率仅限于毫米尺度，远大于器件尺寸。因此，“仅对薄膜中的目标位置，精确地朝不同方向取向”这类位置控制十分困难，这是将异质取向结构集成到单个芯片上以制造器件的最大技术挑战。

研究结果

研究小组重点研究了CNT强烈吸收平行于管长方向的偏振光，而几乎透射垂直偏振光的强光学各向异性（偏振特性）（图1a）。当对非取向CNT薄膜照射特定方向偏振的超短脉冲激光时，只有偏振方向与激光偏振方向不垂直的CNT会特异性地吸收光能并蒸发（烧蚀），而垂直的CNT则不被破坏而保留下来（图1b）。利用这一原理，在非取向CNT薄膜中，研究小组以亚微米级（千分之一毫米以下）的空间分辨率，成功地仅在激光照射位置形成与激光偏振方位正交的取向CNT（图1c）。

本技术的最大关键在于使用了脉冲宽度在几十皮秒（百亿分之一秒）及以下的超短脉冲激光。由于只有吸收光能的CNT会在瞬间蒸发，而且这种现象发生的速度远快于热量传递到周围材料的速度，因此能够在不给周围CNT带来任何热损伤的情况下实现非热纳米结构加工。与之相比，对于照射时间较长的一般连续波激光或纳秒脉冲激光来说，热量会向周围扩散，导致照射区域内所有CNT都被烧断，因此无法进行此类结构的选择性加工。

研究证实，通过本技术制造的局部取向CNT具有优异的电学和光学各向异性（图1d）。表示激光取向CNT取向度的“二维向列有序参数”为0.93（理想取向为1），而作为偏振器性能指标的“吸光度比”达到了24.7倍。这与传统大面积取向技术所获得的最高水准相当。

图1：通过超短脉冲控制碳纳米管取向的机理及特性评价。

(a)碳纳米管（CNT）强烈吸收平行于管轴的偏振光，但不吸收和透射垂直于管轴的偏振光；(b)取向加工原理。在非取向CNT薄膜中，偏振光与管轴不垂直的CNT会强烈吸收光并升温，从而被去除，而管轴与偏振光垂直的CNT则会保留下来；(c)超短脉冲激光照射前后CNT薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。激光偏振方向为水平方向；(d)激光取向CNT在太赫兹波段表现出的显著光吸收各向异性（上图）和电导率特性的各向异性（下图）。

研究还发现，以极低能量（不足以去除CNT）照射激光时，可选择性去除不必要的分散剂，同时在室温工艺下显著提升CNT薄膜的晶体质量（G/D），具有清洗效果。

未来展望

本技术的最大特点在于仅对光照射区域进行精确定位的压倒性的位置控制性和空间分辨率。本技术能够在微米尺度的狭窄区域内排列并集成4种不同取向的CNT（图2a），以及在薄膜上直接绘制文字、条纹、圆形等复杂复合结构（图2b-d），传统技术难以实现这一点。

图2：利用本技术在芯片上形成的复杂CNT复合结构。

(a)在单像素内高密度集成4种方位（0°、45°、90°、135°）CNT的单次偏振相机元件SEM图像；(b)取向加工为“AIST”文字形状的CNT；(c)光子结构（条纹状加工）；(d)取向方位控制为圆形的径向偏振器。

未来，研究小组将利用该光学工艺技术，致力于实现以局部取向CNT为像素的太赫兹偏振图像传感器，以及下一代高速低功耗逻辑器件。

https://www.tus.ac.jp/today/archive/20260805_7019.html

https://www.nature.com/articles/s41467-026-76305-w

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可精确调整碳纳米管方向的新型光学工艺——实现亚微米级空间分辨率的局部控制，有望实现下一代半导体器件